吳迅奇

(寧波正業(yè)自動(dòng)化科技有限公司,315103,寧波∥高級(jí)工程師)

地鐵具有運(yùn)量大、出行便捷、運(yùn)行速度較快等優(yōu)點(diǎn),已逐漸成為城市居民出行的首選交通工具。但與此同時(shí),這也為地鐵的運(yùn)營安全,尤其是弓網(wǎng)間正常的工作狀態(tài)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。當(dāng)列車運(yùn)行時(shí),若行車線路上的接觸線存在硬點(diǎn)、弓網(wǎng)間接觸力異常或弓網(wǎng)間發(fā)生燃弧等接觸不良的狀況,則會(huì)影響地鐵的正常運(yùn)營。MOMS(微光機(jī)系統(tǒng))傳感器具有無源、抗振動(dòng)和抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn),能夠用于監(jiān)測(cè)受電弓與接觸線之間是否擁有良好的受流關(guān)系。本文提出一種基于MOMS傳感技術(shù)的地鐵弓網(wǎng)關(guān)系實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(以下簡稱“弓網(wǎng)關(guān)系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”),在不改變受電弓結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過在受電弓弓頭上加裝MOMS加速度傳感器和弓網(wǎng)接觸力傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)受電弓與接觸線之間壓力的動(dòng)態(tài)變化,同時(shí)還能檢測(cè)出由接觸線硬點(diǎn)撞擊受電弓弓頭所產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊。本文研究可為地鐵的安全運(yùn)營和智能維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐和工程經(jīng)驗(yàn),具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 現(xiàn)有傳感技術(shù)

目前,用于地鐵弓網(wǎng)關(guān)系監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)有電子傳感技術(shù)和視覺成像技術(shù)。電子傳感技術(shù)屬于接觸式測(cè)量,其通過有源探測(cè)的方式采集信號(hào),但所采集到的信號(hào)受電磁干擾嚴(yán)重,后續(xù)數(shù)據(jù)分析較為困難。此外,電子傳感技術(shù)的信號(hào)傳輸電纜存在安全隱患,易引發(fā)嚴(yán)重的電氣絕緣事故,對(duì)車內(nèi)乘客的生命安全造成嚴(yán)重威脅。因此該技術(shù)沒有廣泛推廣應(yīng)用于城市軌道交通領(lǐng)域。視覺成像技術(shù)屬于非接觸式測(cè)量,不能針對(duì)弓網(wǎng)間的動(dòng)力學(xué)特性(如硬點(diǎn)、弓網(wǎng)接觸力等)進(jìn)行有效探測(cè)和反饋。對(duì)于大部分受電弓和弓網(wǎng)關(guān)系運(yùn)行參數(shù)僅僅起到事后視頻查閱和事故追溯的作用。因此,從采購成本、運(yùn)維成本和實(shí)際監(jiān)測(cè)效果等方面綜合考量,將視覺成像技術(shù)用于監(jiān)測(cè)地鐵弓網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)不是最佳方案。

2 MOMS傳感技術(shù)

MOMS傳感技術(shù)的探測(cè)端具有無源、寬溫、微型化、抗電磁干擾、輕便、易組網(wǎng)和免維護(hù)等特性,可用于對(duì)被測(cè)物體或環(huán)境的長期精準(zhǔn)測(cè)量,降低智慧運(yùn)維系統(tǒng)的復(fù)雜度和投資成本。與MOMS傳感器搭配的高速傳感解調(diào)模塊由多片F(xiàn)PGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)級(jí)聯(lián)構(gòu)造成高速并行總線式實(shí)時(shí)處理器陣列,其數(shù)據(jù)處理能力可以達(dá)到10 Gibit/s,不僅保證了多個(gè)測(cè)量通道彼此并行獨(dú)立,還能夠以高達(dá)1～100 kHz的掃描頻率同步解調(diào)動(dòng)態(tài)波長信號(hào)。以MOMS傳感技術(shù)為基礎(chǔ)的傳感器和高速傳感解調(diào)模塊非常適用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列車運(yùn)行速度為80 km/h的地鐵,甚至是列車運(yùn)行速度為350 km/h高鐵的弓網(wǎng)關(guān)系。

3 弓網(wǎng)關(guān)系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

所提弓網(wǎng)關(guān)系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由4個(gè)MOMS接觸力傳感器、2個(gè)3軸MOMS加速度傳感器和1臺(tái)高速M(fèi)OMS傳感查詢儀組成。MOMS傳感器在受電弓弓頭的安裝位置示意圖如圖1所示。所選用的受電弓為地鐵用雙碳滑板彈簧箱式受電弓。4個(gè)具有溫度補(bǔ)償功能的MOMS接觸力傳感器以墊片的形式集成嵌入在彈簧箱內(nèi);2個(gè)3軸MOMS加速度傳感器安裝于受電弓弓頭,使該加速度傳感器的3個(gè)軸分別平行于地鐵線路的垂向、橫向和縱向。高速M(fèi)OMS傳感查詢儀置于地鐵車廂的電氣柜內(nèi),該查詢儀內(nèi)的激光器掃描頻率為2 500 Hz,可以對(duì)所有光學(xué)通道進(jìn)行同步掃描探測(cè)并采集數(shù)據(jù)。對(duì)于列車運(yùn)行速度為80 km/h的地鐵,其線路上的空間分辨率可以達(dá)到8.9 mm。

圖1 MOMS傳感器在受電弓弓頭的安裝位置示意圖

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

4.1 接觸線存在硬點(diǎn)

通過受電弓弓頭上的加速度傳感器能監(jiān)測(cè)接觸線的硬點(diǎn)。一般情況下,當(dāng)列車運(yùn)行時(shí),受電弓弓頭沿垂向上下振動(dòng),根據(jù)列車運(yùn)行速度及接觸線高度與類型的不同,受電弓弓頭的振動(dòng)加速度在一定范圍內(nèi)波動(dòng),如±10g(g為重力加速度)。若受電弓弓頭撞上接觸線上的硬點(diǎn),將會(huì)瞬間產(chǎn)生100g至200g的振動(dòng)加速度。MOMS加速度傳感器采集到的受電弓弓頭垂向加速度如圖2所示。由圖2可知,當(dāng)列車運(yùn)行至約72.6 min時(shí),受電弓弓頭垂向加速度瞬時(shí)值從-200g變?yōu)榱?20g,說明此處的受電弓弓頭振動(dòng)沖擊值非常大,可能由接觸線上的硬點(diǎn)所導(dǎo)致。

圖2 MOMS加速度傳感器采集到的受電弓弓頭 垂向加速度

通過受電弓弓頭上的接觸力傳感器也能監(jiān)測(cè)接觸線的硬點(diǎn)。當(dāng)受電弓弓頭撞上接觸線的硬點(diǎn)時(shí),受到硬點(diǎn)沖擊的受電弓弓頭會(huì)瞬間脫離接觸線,此時(shí)弓網(wǎng)間由于相互分離而沒有力的傳遞,因此接觸力傳感器探測(cè)到的接觸力值趨向于0。然后,受電弓弓頭和接觸線會(huì)向各自反方向回彈,并再次相撞式接觸,此時(shí)接觸力傳感器監(jiān)測(cè)到的弓網(wǎng)間接觸力值會(huì)異常高,這也可以視作判斷接觸線硬點(diǎn)的依據(jù)。由MOMS接觸力傳感器采集到的不同列車運(yùn)行時(shí)間下的接觸力如圖3所示。由圖3可知,當(dāng)列車運(yùn)行至約72.6 min時(shí),接觸力瞬時(shí)值從10 N變?yōu)榱?00 N,波動(dòng)幅度約為190 N。此處接觸力異常可能是由于接觸線上的硬點(diǎn)對(duì)運(yùn)動(dòng)中的受電弓碳滑板造成的沖擊所致。

圖3 MOMS接觸力傳感器采集到的列車不同運(yùn)行 時(shí)間下的接觸力

4.2 弓網(wǎng)間接觸力

當(dāng)列車運(yùn)行時(shí),為了讓受電弓能夠從接觸線上正常受流,弓網(wǎng)間必須保持一定的接觸力,接觸力的大小視不同結(jié)構(gòu)的受電弓及列車行駛速度而定。本文所選用的受電弓弓網(wǎng)間接觸力為120 N時(shí),可正常受流。若受電弓和接觸線之間的接觸力過大,則會(huì)給碳滑板造成過多的機(jī)械磨耗,且弓網(wǎng)間不平穩(wěn)的相互接觸也會(huì)導(dǎo)致沖擊振動(dòng)異常,嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)弓拉斷網(wǎng)或網(wǎng)撞飛弓的事故。若受電弓和接觸線之間的接觸力過小,則會(huì)出現(xiàn)受電弓受流不良及弓網(wǎng)間產(chǎn)生燃弧現(xiàn)象,而頻繁發(fā)生燃弧現(xiàn)象會(huì)給碳滑板造成過多的電氣磨耗。

單個(gè)接觸力傳感器采集到的弓網(wǎng)間接觸力值如圖4所示。由圖4可知:當(dāng)列車停車時(shí),單個(gè)碳滑板上每個(gè)接觸力傳感器的測(cè)量值是不變的,其時(shí)域曲線是平坦的;當(dāng)列車行駛時(shí),單個(gè)碳滑板上每個(gè)接觸力傳感器的測(cè)量值是變化的,其時(shí)域曲線是鋸齒形的。因此,就同一根碳滑板的兩端接觸力傳感器而言,其各自的測(cè)量值呈Z字形變化,測(cè)量值與接觸線在線路上的拉出值保持一致。

圖4 單個(gè)接觸力傳感器采集到的弓網(wǎng)間接觸力值

受電弓弓頭與接觸線間的接觸力值如圖5所示。由圖5可知:當(dāng)列車停車時(shí),靜態(tài)的接觸力值基本保持在120 N左右;當(dāng)列車行駛時(shí),動(dòng)態(tài)的接觸力值基本維持在100～140 N。受電弓的跟隨性均隨著弓網(wǎng)間相互作用頻率的增大而變差[1]。

圖5 受電弓弓頭與接觸線間的接觸力值

4.3 弓網(wǎng)間的燃弧現(xiàn)象

弓網(wǎng)間的燃弧現(xiàn)象是列車在運(yùn)行過程中由于弓網(wǎng)接觸不穩(wěn)定導(dǎo)致的接觸線和受電弓弓頭相互脫離,使得空氣間隙被擊穿而引起的放電現(xiàn)象,同時(shí)伴隨瞬間高溫和高頻電磁脈沖現(xiàn)象的產(chǎn)生。燃弧現(xiàn)象是一種接觸線和受電弓弓頭在機(jī)械上分離,但在電氣上相連的狀態(tài),故通過集成安裝在受電弓弓頭上的MOMS加速度傳感器和接觸力傳感器可以間接地評(píng)估弓網(wǎng)間的燃弧程度。弓網(wǎng)間的沖擊越大,產(chǎn)生燃弧的強(qiáng)度就越高;弓網(wǎng)間的沖擊頻次越頻繁,產(chǎn)生燃弧現(xiàn)象的概率就越大。

5 結(jié)語

通過在受電弓弓頭上安裝MOMS加速度傳感器和接觸力傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)受電弓的振動(dòng)狀態(tài),以及受電弓和接觸線之間的動(dòng)態(tài)接觸力值,為地鐵線路上接觸線的定點(diǎn)維護(hù)和車輛上受電弓的及時(shí)維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。在國家對(duì)信息技術(shù)的不斷投入下,與鐵路技術(shù)密切相關(guān)的人工智能和新技術(shù)正在締造一種新的勞動(dòng)力,這也將是智慧化鐵路的發(fā)展方向之一。